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仿真的四軸加工中心虛擬實訓系統(tǒng)
閱讀：127 發(fā)布時間：2020-8-10數(shù)控機床作為數(shù)控加工中重要的一種精密設備，
在以往數(shù)控機床實操培訓中，由于硬件和管理的限制， 不便于長期使用設備，因此實際訓練不便于實施，特別是針對高職院校學生而言更是如此［1］。為了更好地 培訓數(shù)控機床的操作人員，避免培訓過程中造成設備損壞、降低訓練成本，有效解決精密設備的培訓問題。國內(nèi)外的高校和相關研究機構(gòu)做了大量研究: 文獻
［2］中提出了基于物理引擎軟件和渲染硬件，優(yōu)化虛擬場景的渲染，增加虛擬效果;文獻［3］中開發(fā)了通過圓臺離散法提供待加工零件模型并配合相應的算法實現(xiàn)虛擬車削仿真系統(tǒng); 文獻［4］中采用 MVC ( Model View Controller) 設計模式的總體框架設計理論以及功能模塊化的設計思想設計開發(fā)了虛擬沖床仿真系統(tǒng)。目前，大多數(shù)的虛擬實訓系統(tǒng)集中在單純演示系
統(tǒng)運動的方面，并沒有結(jié)合數(shù)控機床的控制器和實際的加工環(huán)境。因此，本文針對四軸加工中心提出了一種融合半物理仿真思想［5］的虛擬實訓系統(tǒng)架構(gòu)，即采用物理引擎軟件模擬四軸加工中心的實際運動，采用真實的機床控制器控制虛擬模型的運動，并且通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［6］采集傳感器信號獲取真實的加工環(huán)境信息的低成本高效率的虛擬實訓系統(tǒng)。后，以具體的 4060 型雕刻機( X / Y / Z 線性位移軸 + 繞 X 的旋轉(zhuǎn)軸) 為原型，設計了一款面向四軸加工中心的半物理仿真虛擬實訓系統(tǒng)。
1 總體架構(gòu)
虛擬實訓系統(tǒng)主要由控制器系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和通 信模塊組成。半物理仿真虛擬實訓系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所 示。本系統(tǒng)將數(shù)控機床中成本較低且具有核心技術的 機床控制器作為實物引入仿真回路，將生產(chǎn)成本較高 且體積較大的數(shù)控機床本體用物理引擎軟件的虛擬模 型代替。同時，為了提高實訓過程的全面性和真實性， 系統(tǒng)引入了 G 代碼輸入?yún)^(qū)進行 G 代碼的編寫［7］。同時，加入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集加工環(huán)境的信息。為 了增加用戶的交互體驗感，我們將虛擬模型的運行界 面嵌入到人機交互界面中。其中，人機交互界面和機 床控制器之間采用以太網(wǎng)通信，機床控制器和數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)之間采用 SPI 通信，人機交互界面和物理引擎軟件之間采用 SOCKET 通信。
虛擬實訓系統(tǒng)流程為用戶在人機交互界面的 G代碼輸入?yún)^(qū)中編寫 G 代碼以及設定相應的參數(shù)值或者直接導入 G 代碼，設置完成后，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信傳輸給機床控制器。同時，用戶返回到人機交互界面的虛擬實訓區(qū)設置相應的參數(shù)，并且給機床控制器發(fā)指令調(diào)用程序。機床控制器得到響應后，將控制信號通過以太網(wǎng)通信回傳給人機交互界面。人機交互界 面調(diào)用算法和相應程序?qū)⑿畔⑦M行處理后，通過
SOCKET 通信給物理引擎軟件發(fā)送命令，物理引擎軟件中的虛擬模型即可完成相應的加工動作。同時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過傳感器組實時采集加工環(huán)境的信息， 數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后反饋到人機交互界面中，實時的顯示給用戶。用戶在人機交互界面上可以進行系統(tǒng)設置， 并實時觀看虛擬加工場景和被控數(shù)控機床的加工 過程。
2 控制器系統(tǒng)設計
系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)設計主要包括機床控制器和數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的設計。
2． 1 機床控制器的設計
機床控制器的主要功能是輸出控制物理引擎軟件中虛擬模型的數(shù)字信號和接收并處理實際加工環(huán)境的信息。控制器系統(tǒng)的原理框圖如圖 2 所示，系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)采用一個主處理器，多個從處理器的模式［8］。各個從處理器之間通過通信建立連接，再由主處理器統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)調(diào)處理各自的任務。主處理器采用 STM32F429IGT6 芯片，它是基于 AＲM Cortex － M4 內(nèi)核的 CPU，含有豐富的接口和外設，除了基本的電源、時鐘之外還有通用和復用功能 I / O 口、DMA 通道、JTAG 接口、CAN 總線、I2C 總線、SPI 總線和 USB 總線等。通信從處理器采用 STM32F103ZET6 芯片，它通過SPI 總線分別和 W5500 芯片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運動從處理器之間建立通信。其中，W5500 芯片建立了機床控制器和人機交互界面之間的以太網(wǎng)通信。算法從處 理器的主要功能是分析和處理數(shù)據(jù)。